Thomas Brodie-Sangster lahir pada tanggal 16 Mei 1990 di Southwark, London, dari pasangan Mark Sangster dan Tasha Bertram. Keluarga ayahnya berasal dari Banchory, Scotlandia. Ia memiliki seorang kakak perempuan. Brodie-Sangster mahir bermain bass dan gitar, dan ia belajar bermain gitar kidal untuk memerankan Paul McCartney yang kidal dalam film Nowhere Boy. Ia juga belajar bermain drum untuk perannya dalam Love Actually (2003).

Karir Thomas Brodie-Sangster dimulai pada tahun 2001 dengan peran pertamanya dalam film televisi BBC, Station Jim. Ia kemudian tampil dalam beberapa film televisi lainnya, termasuk peran utama dalam Bobbie's Girl, The Miracle of the Cards (berdasarkan kisah Craig Shergold), dan Stig of the Dump. Ia memenangkan penghargaan "Golden Nymph" di Festival Televisi Monte Carlo ke-43 untuk perannya dalam miniseri Entrusted. Film teater pertamanya adalah Love Actually (2003), di mana ia berperan sebagai Sam. Ia dinominasikan untuk Golden Satellite Award dan Young Artist Award atas perannya dalam film tersebut.

Selanjutnya, Brodie-Sangster tampil dalam adaptasi televisi dari novel Feather Boy dan memerankan versi muda dari Tristan yang diperankan oleh James Franco dalam film Tristan & Isolde. Di antara hal lainnya, Brodie-Sangster berpartisipasi dalam pertarungan pedang (anak-anak) dalam film tersebut. Brodie-Sangster juga membintangi film Nanny McPhee (2005) yang sukses secara komersial sebagai anak tertua dari tujuh bersaudara.

Pada tahun 2007, ia tampil dalam cerita dua bagian ("Human Nature" dan "The Family of Blood") dalam Doctor Who sebagai anak sekolah Tim Latimer, dan menjadi bintang tamu dalam drama audio Doctor Who The Mind's Eye dan The Bride of Peladon oleh Big Finish. Ia juga membintangi adaptasi film dari novel sejarah Valerio Massimo Manfredi, The Last Legion, yang dirilis pada tahun 2007. Pada tahun yang sama, ia mengisi suara karakter Ferb Fletcher dalam serial animasi Disney Channel, Phineas and Ferb. Ia juga tampil dalam miniseri Pinocchio (2008) yang difilmkan di Italia, sebagai Lampwick.

Pada tahun 2008, Brodie-Sangster mendapatkan peran dalam film Bright Star karya sutradara Jane Campion, sebuah kisah cinta tentang John Keats dan kekasihnya, Fanny Brawne. Ia juga membintangi Nowhere Boy sebagai Paul McCartney, sebuah film yang disutradarai oleh seniman berpenghargaan Sam Taylor-Wood, tentang masa remaja John Lennon. Brodie-Sangster juga tampil sebagai Casey dalam film Some Dogs Bite tentang seorang anak laki-laki yang ingin menjaga keluarganya tetap bersama. Casey membawa adik bayinya keluar dari panti asuhan dan, dengan bantuan kakaknya, mencari ayah mereka. Ia juga tampil dalam film Irlandia Death of a Superhero (2011), yang didasarkan pada novel karya Anthony McCarten. Selain itu, Brodie-Sangster memerankan Liam dalam film The Last Furlong (2011). Pada April 2011, ia tampil sebagai tamu dalam satu episode drama detektif Inggris, Lewis, sebagai Adam Douglas. Pada tahun 2012, ia membintangi The Baytown Outlaws, di mana ia memerankan seorang pemuda cacat dalam kursi roda, dan dalam film pendek Ella Jones, The Ugly Duckling, yang merupakan bagian ketiga dari trilogi cerita dongeng yang diadaptasi ulang oleh More Films. Dari tahun 2013 hingga 2014, ia memerankan peran Jojen Reed dalam Game of Thrones.

Prestasi terbaru Thomas Brodie-Sangster adalah perannya sebagai Benny Watts dalam miniseri Netflix, The Queen's Gambit (2020), yang membuatnya mendapatkan nominasi Primetime Emmy Award untuk Outstanding Supporting Actor in a Limited Series or Movie. Ia juga tampil dalam Star Wars: The Force Awakens (2015) sebagai perwira First Order dan memerankan Whitey Winn dalam miniseri Netflix, Godless (2017). Selain itu, ia mengisi suara John Tracy dalam Thunderbirds Are Go (2015–2020). Thomas Brodie-Sangster telah tumbuh menjadi aktor yang diakui secara kritis dan memiliki banyak prestasi dalam kariernya.